剛?cè)峤M合攪拌槳強化流體混沌混合行為研究.pdf

1、攪拌反應(yīng)器作為流體混合的核心設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油等眾多領(lǐng)域。攪拌反應(yīng)器的效率直接影響整個生產(chǎn)流程的產(chǎn)能和企業(yè)利潤。因而，攪拌反應(yīng)器及流體混合性能是化工過程強化研究的熱點之一。高效節(jié)能攪拌反應(yīng)器的研發(fā)與應(yīng)用的突破點在于合理設(shè)計攪拌槳，發(fā)展混沌混合強化理論，研究單相或多相流體的混合規(guī)律。傳統(tǒng)剛性攪拌槳主要靠剪切作用向流體傳遞能量，在槳葉尖端附近區(qū)域形成混合隔離區(qū)，不利于高效節(jié)能混合。
　　本文以剛?cè)峤M合槳設(shè)計為基礎(chǔ)，空

2、氣-水、固體顆粒-水為研究對象，采用實驗與模擬相結(jié)合的方法，分析各攪拌體系的混合特性。借助ANSYS-Workbench平臺，對各攪拌體系的多相流體混合機理進行研究；利用扭矩傳感器采集多相流體混合過程中的扭矩信號，結(jié)合小波分析和Matlab軟件，計算宏觀不穩(wěn)定性頻率﹑最大Lyapunov指數(shù)和K熵，研究攪拌槽流體的混沌特性；利用酸堿指示劑反應(yīng)的實驗，對流體混沌特性進行驗證，并觀測流場的演化過程；針對氣液兩相流體混合，實驗采用電導(dǎo)探針法對

3、氣泡尺寸，局部氣含率進行測量；針對液固兩相流體混合，實驗采用流場可視化技術(shù)，觀測各體系固含率分布，研究剛?cè)虢M合攪拌槳強化流體混沌混合的行為。實驗得出如下結(jié)論：
　　氣液兩相混合方面：
　?、俳柚鶤NSYS-Workbench平臺對各攪拌體系進行流固耦合分析，發(fā)現(xiàn)柔性槳具有彈塑性，在運動過程中，易于受力均勻和能量的擴散。在等功耗等通氣量前提下，相比剛性槳（RDT）體系，剛?cè)峤M合槳（RFDT）應(yīng)用其流固耦合作用力，槳葉的最小應(yīng)力

4、提高了34.84%，最大應(yīng)力降低了1.49%，引起流速的提高和湍動動能的加劇，剛?cè)峤M合槳的的最大流速提高了15.79%，平均湍動動能也相應(yīng)變大，整體氣含率也增大。由于上下層槳葉之間區(qū)域處于規(guī)則區(qū)，在對傳統(tǒng)雙層攪拌槳進行改進之后的雙層剛性組合槳（DR-RDT）體系在氣液兩相混合過程時，增大了中間區(qū)域的湍動強度，槳葉在此區(qū)域的強剪切力加速氣泡的破碎和增大了氣泡在體系內(nèi)的徑向分布。相比傳統(tǒng)剛性槳體系（RDT）體系，雙層剛性組合槳體系(DR-R

5、DT)平均流速加大，湍動強度加劇，氣含率也在一定程度上增大。而雙層剛?cè)峤M合槳體系（DRF-RDT）應(yīng)用其在氣液兩相流體運動過程中大變形量引起大范圍的湍動及其多體運動，流體的平均速度、湍動強度和整體氣含率進一步增大。
　　②實驗運用可視化技術(shù)，電導(dǎo)探針法，混沌參數(shù)分析法來對氣液兩相混合情況進行分析，由分析指出，在通氣量為1000m3/h時，相對RDT體系，RFDT、DR-RDT、DRF-RDT體系的臨界泛點功耗分布減少了10.20%

6、、6.73%、14.49%；在各攪拌體系下，氣泡尺寸隨功耗增大而減小，隨通氣量增加而增加，在等功耗、等通氣量的條件下，RFDT體系內(nèi)各區(qū)域的局部氣含率都較RDT體系高，而與傳統(tǒng)攪拌槳體系相比，DR-RDT體系在上下層槳葉之間區(qū)域的氣含率增大，而
　　DRF-RDT體系的增幅更為明顯；在對各攪拌體系進行混沌參數(shù)進行分析時，可發(fā)現(xiàn)在氣液兩相混合時，流體內(nèi)部的混沌程度隨功耗/通氣量的增加呈先增大后減小的趨勢，而在同等條件下，RDT、RF

7、DT、DR-RDT、DRF-RDT體系內(nèi)的混沌參數(shù)以次增大，即混沌程度也以次增大；運用酸堿指示劑法對流體內(nèi)部混沌狀況進行驗證時發(fā)現(xiàn)，相對傳統(tǒng)RDT體系，RFDT、DR-RDT、DRF-RDT體系的混合時間分別縮短了6.25%、21.25%、31.25%。
　　③剛?cè)峤M合槳應(yīng)用剛-柔多體運動于流固耦合過程中，在一定程度上擾亂流體流場的擬序結(jié)構(gòu)，突出流體多尺度結(jié)構(gòu)的特征。增強了流體混沌混合；而DR-RDT體系則使得各區(qū)域的湍動強度均勻

8、化，同時，在氣液兩相混合時，加速了在上下層區(qū)域槳葉氣泡的破碎和分散，使得能量的耗散均勻。由于柔性體在運動時的不穩(wěn)定性及變形量大的特點，DRF-RDT體系在運動過程中湍動區(qū)域不斷調(diào)整，湍動范圍不斷改變，使得氣含率增大，流體的混沌狀態(tài)加劇。
　　固液兩相混合方面：
　?、匐p層剛?cè)峤M合攪拌槳提高了攪拌槳附近區(qū)域的流速，減小了雙層攪拌槳上下兩層槳葉之間的“死區(qū)”范圍。雙層剛?cè)峤M合攪拌槳的柔性端與周圍流體的波動和擾動行為，增加了反應(yīng)器

9、內(nèi)流體的流速，流體流動加強，可提高流體的混合性能。雙層剛?cè)峤M合攪拌槳通過剛-柔-流耦合運動行為增加了槳葉與流體之間的相互作用力，體系湍流動能得到加強，槽內(nèi)流體的運動狀態(tài)更為劇烈，進一步實現(xiàn)了流體能量和質(zhì)量的傳遞；對于雙層槳固液兩相流體混合體系，組合攪拌槳體系的固液混合能力和分散均勻度均高于雙層攪拌槳；且?guī)в腥嵝怨枘z連接片的雙層剛?cè)峤M合槳體系的顆粒分散混合能力優(yōu)于雙層剛性組合槳；
　　②在相同Cv和單位體積功耗Pv下，對于RDT、R

10、FDT、DR-RDT、DRF-RDT四個體系來說，DRF-RDT能夠極大程度上地縮短自浮顆粒體系和下沉顆粒體系的混合時間，并且lntmix與lnPv均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。對于自浮顆粒體系來說，當(dāng)Pv=2000W/m3，Cv=3%時，DRF-RDT的混合時間較RDT、RFDT、DR-RDT來說分別縮短了50.27%、43.90%和21.37%；對于下沉顆粒體系，當(dāng)Pv=2000W/m3，Cv=3%時，DRF-RDT的混合時間較RDT、R

11、FDT、DR-RDT來說分別縮短了47.00%、39.73%和8.33%。不同Cv下的各體系，DRF-RDT相比于RDT、RFDT、DR-RDT大大地縮短了體系的混合時間。對于自浮顆粒體系來說，當(dāng)Pv=2000W/m3時，DRF-RDT在不同Cv下體系的混合時間較RDT來說分別縮短了35.32%、40.49%和50.27%；對于下沉顆粒體系當(dāng)Pv=2000W/m3時，DRF-RDT在不同Cv下體系的混合時間較RDT來說分別縮短了21.1

12、4%、34.91%和47.00%。
　?、鄄煌珻v下各個體系的LEmax均大于零，這說明所有體系都進入了混沌狀態(tài)。并且隨著Pv的增大，LEmax的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。相同Cv下，不同槳葉類型的體系LEmax有著較大的差別，LEmax大致上從RDT、RFDT、DR-RDT、DRF-RDT體系依次增大，即體系的混沌混合狀態(tài)增強。其中，RDT體系相對于其它三個體系來說，達(dá)到好的混合狀態(tài)需要Pv=4000 W/m3；但RFDT、

13、DR-RDT、DRF-RDT體系在Pv=3500W/m3時混合狀態(tài)就能達(dá)到最佳，其中，在自浮顆粒體系DRF-RDT體系的LEmax在Cv=1%、Cv=2%及Cv=3%時分別比RDT體系的LEmax大7.18%、11.02%和11.08%；在下沉顆粒體系中DRF-RDT體系的LEmax在Cv=1%、Cv=2%及Cv=3%時分別比RDT體系的LEmax大9.67%、10.26%和12.20%。
　　綜上所述，剛?cè)峤M合攪拌槳通過剛-柔-